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코스모스 이후 35년의 공백을 채우다!

과학의 대중화에 위대한 업적을 남긴 천문학자 칼 세이건(1934-1996)의 걸작 다큐멘터리 ‘코스모스(Cosmos)’가 방영되고 같은 제목의 책이 출간된 지 35년 넘는 세월이 흘렀다. 이 기간 동안 우주에 관한 인류의 지식은 새로운 기술과 최첨단 장비에 힘입어 눈부신 발전을 이뤘다. 가히 ‘뉴 코스모스(New Cosmos)’의 시대라 불릴 만한 변화다. 『뉴 코스모스』은 이런 흐름 속에서 칼 세이건과 《코스모스》를 향한 깊은 존경을 담고 있다.

세계 최고 권위의 천문학 전문지 〈애스트로노미(Astronomy)〉 편집장인 저자가 어려운 학계의 방식이 아닌 일반 독자의 눈높이에 맞춰 최신 버전의 천문학 지식을 전달한다. 또한 제목에 걸맞게 35년 전 《코스모스》가 소개될 당시의 과학 기술로는 미처 밝히지 못한 새로운 지식들을 이후에 촬영한 컬러 이미지와 함께 설명한다. 이 책은 〈애스트로노미〉 독자 설문 조사를 통해 우주에 관한 대중의 가장 큰 관심사 17가지로 구성됐으며 천문학, 천체물리학, 우주학, 행성학 분야의 전문가들과 ‘딥 임팩트(Deep Impact)’ 및 ‘뉴 호라이즌스(New Horizons)’ 계획 등을 주도한 학자들의 꼼꼼한 감수를 거쳤다. 우주와 별은 어떻게 생겨났는지, 태양은 언제까지 활활 타오를 수 있는지, 지구는 어떤 종말을 맞이할지, 쌍둥이 지구는 존재하는지, 암흑 물질과 암흑 에너지란 과연 무엇인지 등을 흥미진진하게 풀어가면서, 광활한 우주에서 생명이 갖는 진정한 의미에 대해 커다란 화두를 던지고 있다.

우주에 대해 가장 궁금한 17가지
“코스모스 이후 35년의 공백을 채우다!”

코스모스와 인간의 위대한 만남
다시 느끼는 우주의 깊은 울림

《뉴 코스모스》는 ‘코스모스 키즈’로 성장해 세계 최고 권위의 천문학 잡지 〈애스트로노미〉 편집장으로 활동 중인 저자의 칼 세이건 교수를 향한 오마주(hommage)이자, 《코스모스》 이후 35년의 시간이 흐르는 동안 마침내 밝혀졌거나 새롭게 확보된 천문학 지식을 충실히 소개하는 책이다. 일반 대중이 우주에 관해 가장 궁금해하고 관심 있어 하는 17가지 주제(질문)를 누구나 이해할 수 있도록 쉽게 설명한다. 행성, 항성, 태양계, 은하, 빅뱅, 암흑 물질, 암흑 에너지, 블랙홀 등 현대 천문학 및 천체물리학의 주요 쟁점은 물론 분자화학과 양자역학에 관한 이해도 돕고 있으며, 나아가 ‘우주’라는 광활한 공간 속 일부로서 인간과 생명체가 갖는 존재의 의미도 되새기고 있다. ‘초신성(超新星, supernova)’ 발견으로 유명한 UC버클리 천문학자 알렉스 필리펜코(Alex Filippenko) 교수가 “코스모스 이후 35년의 공백을 채우는 책”이라며 이 책을 추천했고, 필리펜코 교수를 포함한 17명의 학자들과 우주 전문가들이 감수했다. 케임브리지대학교 ‘2016 올해의 교양과학서’에도 선정된 바 있다.

―살아 숨 쉬는 코스모스
“우주는 어떻게 생겨났을까?”라는 질문에 대한 답변이면서, 앞으로 다룰 주제에 관해 개괄적으로 소개한다. 상상력에서 과학으로 각성한 천문학의 역사를 살피고, 우주를 향한 인류의 동경과 호기심이 낳은 기발한 발상과 그것을 입증한 과정을 돌아본다. 21세기에 들어서면서 비약적으로 발전한 천체 관측 기술을 설명하며, 아인슈타인의 사고실험(思考實驗)을 현실로 입증한 학자들의 노력들도 소개한다.

―태양의 피날레
“태양은 언제까지 타오를 수 있을까?”라는 두려움 어린 질문의 해답을 찾는다. 인류에게는 대단한 별이지만 우주 전체로 볼 때는 4,000억 개의 항성 가운데 지극히 평범한 별 태양의 탄생과 변화를 보여주고 ‘핵우주연대학(核宇宙年代學, nucleocosmochronology)’, ‘일진학(日振學, helioseismology)’, ‘H-R 도표(Hertzsprung-Russell diagram)’ 등의 접근방식을 설명한다. 또한 우리 은하 내에 존재하는 주요 항성들을 분석 데이터와 함께 소개하면서 항성의 ‘핵융합 반응’이 에너지를 생산하고 훗날 고갈되는 과정도 생생히 묘사하고 있다.

―푸른 행성의 미래
“지구는 언제 수명을 다할까?” 축복받은 행성 ‘지구’도 영원불멸의 존재는 아니다. 태어난 지 45억 4,000년 된 지구의 연대기와 생명체 탄생의 과정을 설명하면서 총 다섯 차례 일어난 대멸종 사건의 원인과 결과에 대해 서술한다. 자연철학, 진화론, 지질학, 분자화학 견해를 다루고, 지구 멸망의 양상을 여러 가지 과학적 예측을 사례로 설명한다. 아울러 그 즈음 지구를 둘러싸고 있는 우리 은하의 변화된 모습도 살핀다.

―달의 기억
“달은 어떻게 지구의 위성이 될 수 있었을까?” 달의 기억을 끄집어낸다. 지구와 가장 가까운 천체인 달이지만, 의외로 이 질문의 답에 가까이 가기까지는 매우 긴 시간이 걸렸다. 아폴로(Apollo) 계획과 같은 수차례의 달 탐사로 확보한 월석(月石) 등의 표본 분석으로도 실마리를 찾지 못했다. 달의 기원에 관한 학계의 여러 가설들을 소개하면서, 그동안 여러 이견을 거치며 최근 하나로 모아진 ‘거대충돌설(Giant Impact Hypothesis)’을 집중적으로 조명해본다. 2000년에 이르러서야 ‘테이아(Theia)’라고 이름 붙여진 약 45억 년 전 지구와 충돌한 화성 크기의 행성 이야기가 흥미롭게 펼쳐진다. 2001년 카네기 연구소(Carnegie Institution)와 2007년 캘리포니아공과대학(Caltech) 연구팀의 치열한 검증과 스피처(Spitzer) 우주망원경의 활약상도 공개된다.

―추억과 희망
“화성에 생명체가 살 수 있을까?” SF의 단골 소재인 이웃 행성 ‘화성’을 다룬다. 오래전 생명 활동이 있었을지 모르던 때의 추억과 아직도 버릴 수 없는 희망을 모색한다. 특히 화성은 현재 관측 위성 수준을 넘어 여러 기의 탐사 로버가 활동하고 있는 생생한 현장이다. 2000년대까지 시행된 미국과 유럽의 화성 탐사 상황을 시작으로, 2004년 화성 착륙에 성공한 NASA의 탐사 로버 스피릿(Spirit)과 오퍼튜니티(Opportunity)에서부터 2012년 큐리오시티(Curiosity), 그리고 2013년 발사돼 지금도 활동 중인 탐사선 MAVEN(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) 등이 보내온 엄청난 양의 데이터 분석을 정리해 지도를 그리듯 보여준다.

―페이스오프 비너스
“금성은 왜 얼굴을 바꿨을까?” 화성과 더불어 지구와 가장 가까운 자매 행성이지만, 달라도 너무 다른 ‘금성’을 살펴본다. 두꺼운 대기층 때문에 지표면을 볼 수 없어 이론과 추측만 난무했던 곳이었으나, 마찬가지로 최근 왕성한 탐사 활동으로 확보된 실측 데이터 덕분에 기존의 미스터리가 대부분 밝혀진 행성이다. 여기서는 《코스모스》에서 소개된 이후의 활동인 NASA의 마젤란(Magellan) 계획과 유럽우주국(ESA)의 비너스 익스프레스(Venus Express) 계획의 성과로 드러난 금성의 지질 및 판 구조 변화 등 관해 설명한다. 저자는 금성 탐사가 지구의 미래를 시뮬레이션해볼 수 있다는 점에서 무척 중요하다고 강조한다.

―되찾고 싶은 옛 형제
“명왕성은 행성이 아닌가?”라는 질문에 대해 “그렇다”와 “아니다”로 나누어 소개한다. 2006년 IAU(국제천문연맹)는 1930년 최초로 발견된 이래 76년 동안 태양계에서 어엿한 아홉 번째 행성이었던 명왕성을 ‘왜소행성(矮小行星, dwarf planet)’으로 강등시켰다. 저자는 IAU가 정의한 행성의 요건을 조목조목 따져서 최근의 관측 결과를 설명하고, 2006년 발사돼 2015년 명왕성을 통과한 ‘뉴 호라이즌스(New Horizons)’ 호의 방대한 실측 데이터 분석 결과를 기다리면서 이 ‘옛 형제’를 되찾을 수 있는 가능성을 타진한다.

―보물찾기
“우주에 지구와 같은 행성은 존재할까?”라는 궁금증을 풀어본다. 보물 중의 보물인 쌍둥이 지구를 찾기 위한 그간의 노력들을 이야기한다. 현재까지의 우리 은하에 속한 태양계 밖의 행성(태양계 외행성) 관측 진행 상황을 설명하고, 케플러(Kepler) 우주망원경의 놀라운 업적과 ‘측성학(測星學, astrometry)’, ‘도플러 기법(Doppler technique)’, ‘통과법(通過法, transit method)’, ‘중력 렌즈(gravitational lensing)’ 등을 통해 밝혀낸 사실들을 흥미롭게 서술한다. 2013년 발표된 자료에 따르면 우리 은하에만 지구와 비슷한 행성이 약 400억 개 있으며, 현대의 기술로 관측 가능한 우주 전체에서 생명체가 서식 가능한 행성 수는 여기에 1,000억을 곱한 값이다. 그리고 이 장에서는 2017~2018년 발사 예정인 차세대 관측 장비 CHEOPS(CHaracterizing ExOPlanets Satellite), TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite), 제임스 웹(James Webb) 우주망원경과 2024년 착수를 앞둔 PLATO(Planetary Transits and Oscillations of stars) 계획을 통한 ‘슈퍼지구(super-Earths, 생명체가 존재할 가능성이 있는 지구보다 큰 지구형 행성)’ 찾기 프로젝트 정보도 공개하고 있다.

―우리 은하의 참모습
“은하수는 어떤 모양일까?” 그동안 ‘나선 은하(spiral galaxy)’로만 알려져 있던 우리 은하가 2008년 ‘막대 나선 은하(barred spiral galaxy)’라는 최종 결론에 이르기까지의 과정을 구체적으로 설명한다. 스피처 우주망원경으로 촬영한 사진의 파노라마 구현에 성공한 GLIMPSE(Galactic Legacy Infrared Mid-Plane Survey Extraordinaire) 프로젝트 결과를 상세히 소개하면서 우리 은하의 진짜 모습을 낱낱이 파헤치고 있다.

―우주의 운명과 외계 생명체
이 밖에도 《뉴 코스모스》에서는 우리 은하와 안드로메다(Andromeda)의 합병으로 탄생할 ‘밀코메다(Milkomeda)’ 이야기, ‘빅뱅(Big Bang)’의 순간을 탐험하는 시간 여행, 도저히 알 수 없을 것 같았던 ‘우주의 역사’와 그 끝을 향할수록 ‘과거’가 드러나는 우주 관측의 딜레마, 2013년 플랑크(Planck) 위성이 밝혀낸 ‘우주 나이’ 137억 9,800±3700만 년의 진실, 우주 질량 에너지의 26.8퍼센트를 차지하는 ‘암흑 물질’과 68.3퍼센트인 ‘암흑 에너지’, 21세기가 되어서야 확실해진 ‘블랙홀(Black Hole)’의 실체를 다루며, “우주에서 우리는 혼자인가?”라는 질문으로 대표되는 ‘외계 생명체’ 존재에 관한 여러 학자들의 견해를 소개하면서 ‘생명체’의 의미란 과연 무엇인지에 대한 화두를 던지고 있다.

《뉴 코스모스》는 칼 세이건 교수의 명저 《코스모스》를 대신할 수 있는 책은 아니다. 그렇다고 《코스모스》의 아류작도 아니다. 저자가 ‘들어가며’에서 자세히 묘사하고 있듯이, 이 책은 칼 세이건 교수에 대한 그리움과 존경심으로 가득 차 있지만 35년 전 《코스모스》에서 다루지 못한 이후의 지식을 전달하는 역할을 훌륭히 수행하고 있다. 《코스모스》를 읽은 독자라면 그때로부터 지금까지 업데이트된 천문학 지식을 얻을 수 있을 것이다. 《코스모스》보다 이 책을 먼저 읽어도 크게 문제될 것은 없다. 35년의 공백만을 다루고 있지는 않기 때문이다. 우주에서의 시간은 과거, 현재, 미래를 구분하지 않는다. 칼 세이건 교수가 말했듯 “코스모스는 과거에도 있었고 현재에도 있으며 미래에도 있을 그 모든 것”이다. 관측 기술이 발달해 더 먼 우주를 바라볼수록 그곳은 더 이전의 과거가 된다. 미래에서 보게 될 별이 과거에 본 별보다 훨씬 더 과거의 존재라는 역설에 가슴이 두근거리는 순간 코스모스와의 위대한 만남은 시작된다.

앨런 스턴(NASA 수석 연구원)
밤하늘을 한 번이라도 올려다본 적 있는 사람이라면 꼭 읽어야 할 책. 최근 10년 동안 출간된 천문학 교양서 중 단연 으뜸이다. (뉴 호라이즌스 계획 총책임자)

제프 헤스터
우리 같은 사람들은 지식을 이렇게 전달하지 못한다. 데이브 편집장만의 재주다. 지적이고 위트가 넘치면서 천문학 분야의 최신 정보를 충실히 소개한다. (애리조나주립대학교 천체물리학 교수)

알프레드 맥퀸(애리조나대학교 행성학 교수)
이 책은 칼 세이건의 고전 《코스모스》 이후 35년 동안 업데이트된 천문학 지식을 제공한다. 특히 행성학 분야는 그동안 눈부신 발전을 이뤄왔다.

이 책을 추천하며_코스모스 이후 35년의 공백을 채우다
들어가며_칼 세이건을 그리며

01_살아 숨 쉬는 코스모스
02_태양의 피날레
03_푸른 행성의 미래
04_달의 기억
05_추억과 희망
06_페이스오프 비너스
07_되찾고 싶은 옛 형제
08_보물찾기
09_우리 은하의 참모습
10_안드로메다와의 랑데부
11_빅뱅의 메아리
12_과거만 보이는 존재
13_티끌 한 점 없는 공간
14_미지의 힘
15_가장 밝지만 빛나지 않는 것
16_우주의 운명
17_콘택트

참고문헌
찾아보기

저자는 이 책을 통해 중구난방으로 흩어져 있던 천문학 관련 최신 정보를 흥미롭고 맥락 있는 큰 그림으로 엮었고 천문학계의 중요 이슈를 독자들이 쉽게 이해할 수 있도록 정리했다. 어릴 적 전설적인 천문학자 칼 세이건(Carl Sagan, 1934~1996)에 이끌려 천문학 전도사를 천직으로 삼게 된 그는 이 책에서 그동안 자신이 쌓아놓은, 그것도 어려운 학계 스타일이 아니라 쉽고 재미있는 대중 버전으로 엮은 방대한 지식을 독자들에게 아낌없이 퍼주고 있다. 그렇다고 해서 무작정 쉽게만 쓴 것도 아니다. 나를 포함해 천문학, 천체물리학, 우주학, 행성학 분야 전문가들의 자문과 감수를 거쳐 완성한 책이다. 칼 세이건 《코스모스》 이후 35년의 공백을 채우기에 부족함이 없다(그동안 많은 것들이 검증됐고 또 많은 것들이 발견됐다).
그가 펼쳐놓은 이야기는 우리가 살고 있는 태양계와 ‘우리 은하(Milky Way Galaxy)’는 물론 다른 행성계와 다른 은하, 별의 탄생과 죽음, 우주의 현재와 미래 등 실로 다양하다. 그러면서도 이야기보따리만 푸는 게 아니라 지구 생태계의 미래, 다른 행성에 생명체가 살 가능성, 생명의 진정한 의미에 관한 질문을 계속해서 던지고 있다.
---pp.7-8 「이 책을 추천하며: 코스모스 이후 35년의 공백을 채우다」 중에서

중간 무게의 별인 태양은 타는 속도 또한 빠르지도 느리지도 않은 딱 중간 정도다. 질량이 더 큰 별은 태울 수소가 더 많지만 핵융합 반응속도도 더 빠르다. 빛을 계속 내기 위해서다. 그런 까닭에 이런 별들은 짧은 생애를 화려하게 살다가 일찍 죽는다. 무게가 같은 8기통 콜벳(Corvette)과 프리우스(Prius)가 있다고 치자. 우람한 근육을 자랑하는 스포츠카 콜벳은 엄청나게 빠르지만 기름을 펑펑 써서 금방 소진한다. 반면 프리우스는 더 적은 기름으로 훨씬 먼 거리를 달린다.
한때 엄청나게 묵직했던 별들은 대부분 생을 다한 지 오래다. 지금 남아있는 것들도 몇 안 되는 데다 본격적인 연구 대상으로 삼기에는 너무 멀리 떨어져 있다. 그래도 존재가 확인된 그런 별이 있긴 하다. 현재까지 알려진 바로 가장 묵직한 별은 독거미(Tarantula) 성운의 심장부에 있는 ‘R136a1’로, 질량이 태양의 265배나 된다. 독거미 성운은 우리 은하의 위성 은하 중 하나인 ‘대(大) 마젤란(Large Magella) 성운’ 내에서 신생별의 요람 같은 곳이다. R136a1은 밝기도 태양보다 870만 배나 밝아서 우주 최고를 자랑한다.
---p.58 「제2장: 태양의 피날레」 중에서

도대체 무엇이 화성을 촉촉한 행성에서 춥고 메마른 불모지로 바꿔놓았을까? 집중적인 화성 탐사 활동 덕분에 이 질문의 단서가 될 만한 자료들이 지난 10년 동안 무더기로 쏟아져 나왔다. 정답을 찾지 못한 것은 예나 지금이나 매한가지지만 그래도 큰 가닥은 잡혀가고 있다.
행성학자들은 초창기에는 화성에 두꺼운 대기가 있었을 것이라고 추측한다. 화성을 이불처럼 덮은 대기층이 기온을 유지하고 물이 증발해 우주로 날아가지 않도록 막았다는 것이다. 분명 어떤 기후 변화 또는 다른 변화들이 화성을 변모시켜 우기를 끝장내거나 건기가 점점 길어지게 했을 것이다. 학자들은 극지방과 표층 바로 밑 차표층(次表層, subsurface horizon)에 많은 물이 얼음에 갇혀 있고, 꽁꽁 얼어붙은 차표층 아래 대수층(帶水層, aquifer)에 액체 상태인 물이 적지 않을 것으로 기대하고 있다.
---pp.122-123 「제5장: 추억과 희망」 중에서

행성학계에서는 지난 10년 내내 명왕성의 기술적 상태를 두고 잡음이 끊이지 않고 있다. 설상가상으로 뉴 호라이즌스(New Horizons) 호가 명왕성 근접 비행에 성공한 것이 2015년 7월의 일이다. 태양계의 막내 행성이었던 명왕성이 숨겨놓은 과학이야기 보따리를 이제야 풀어놓으려는 참이었던 것이다.
이 문제를 석연찮게 만드는 근본적인 이유는 국제천문연맹(IAU)의 행성에 대한 새로운 정의가 성급하게 내린 미숙한 판단으로 보인다는 점에 있다. 가장 논란이 되는 부분은 바로 세 번째 조건, 즉 “행성의 공전 궤도 내 근처의 다른 작은 천체들을 치워야” 한다는 것이다. 마치 일부러 잘못 쓴 듯 이렇게 애매한 표현이 또 어디 있는가? 나는 실제로 한 행성학자가 이렇게 말하는 걸 들은 적도 있다.
“이게 도대체 무슨 뜻이지?”
IAU의 설명에 따르면 명왕성은 궤도 내에서 다른 작은 천체들을 ‘치워’ 버리지 못했기 때문에 행성이 아니라 왜소행성이라고 한다. 명왕성의 지위 논란이 어느 방향으로 귀결될지는 이 조건의 정확한 의미가 무엇인지에 달려 있다. 나머지 두 조건으로 보면 명왕성이 태양 주위를 돌며, 구체 형태를 유지할 만큼 충분히 묵직하다는 것은 분명한 사실이니 여기에는 이견이 없을 것이다. 그런데 IAU의 시각 자체에 불만을 표하는 학자들도 적지 않다. IAU가 태양에서 더 멀고 크기가 더 작은 천체들？